ライター：mpcsp079さん（最終更新日時:2016/4/29）投稿日：2013/12/26
ホーンスピーカー（horn speaker)の音響学のブログ集 - SonofSamlawのブログ
図１ スピーカーの目標
スピーカーの目標は、図１の（ａ）を（ｂ）にすることである。電気で言えば変圧器である。Ｐの振動幅が同じであると、（ａ）より（ｂ）のほうが大きい音がする。それは当然である。ピストンの面積倍の空気振動が起こるからである。これを直接やったのは、コーンスピーカーである。直接大きな振動板を振動源につなげてしまうのである。つまり、振動源に大きな体積インピーダンスをつなげてしまうのである。
図２ ホーン
しかしホーンは、別な方法でこれを実現するものなのである。入り口と出口寸法が同じ場合、エキスポネンシャル型の場合に最大の効果、つまり、Ｐ点の体積インピーダンスを大きくできる。下にその例を示す。
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ここで、図１、図２の振動源Ｐは、電磁力によって振動版が動くタイプのものであるとする。このとき、振動版に負荷が小さければ「定速度」となり、負荷が大きければ「定圧」となる。つまり、負荷が小さければ振動部分の質量のみで決まる振動状態になるが、負荷が大きければその圧力はドライバーの電磁力で決まる値になる。
このような解析で重要なのが、インピーダンスという考えである。つまり、電気において、電圧と電流にわけて考えるのと同じに、音波の特徴を気圧と流速に分け、それぞれの動きを考えるとき、この２つの比に注目するのである。この比の特に交流における場合、インピーダンスという。この値が、状況によって変化するのである。
電気の言葉言えば、この振動源はＯＵＴ抵抗Ｒｏをもった電圧源Ｅである。つまり、負荷ＲＬが小さければ、負荷に関係なくＥ／Ｒｏの電流が流れる。このときの負荷電圧はほぼＥ＊ＲＬ／Ｒｏとなり、ＲＬの小ささに比例してちいさくなる。一方、負荷が大きければ、負荷に関係なく負荷には電圧Ｅがかかり、負荷電流は、Ｅ／ＲＬとなりＲＬの大きさに比例して小さくなる。
つまり、負荷抵抗ＲＬが小さくしていくと負荷電流は一定で負荷電圧が小さくなり、大きくしていくと負荷電圧は一定で負荷電流が小さくなっていく。音響の話に戻ると、負荷インピーダンスが小さすぎると、伝搬していく音圧はどんどん小さくなり、逆に負荷インピーダンスが大きすぎると、機体の流速はどんどん小さくなっていく。どちらの状態も伝わる音は小さくなってしまう。そこで、Ｒｏ＝ＲＬとなったとき、最大のエネルギーが伝わる。つまり、伝わる音は最大になる。
そこで、振動源付近ではＲＬをＲｏに合わせて最大のエネルギーを引き出しておいて、それを自由空間に伝える、導くという発想が、ホーンなのである。
図３ ＤＣの音響インピーダンス
図３にＤＣ（直流、変化しない信号）の音響インピーダンスに関するものである。音源Ｐから見て、小さき（ａ）のほうが送り込んだ気体に対する圧力の上昇が大きい、つまり音響インピーダンスは大きい。
ホーンは音源付近では管の直径を小さくし音響インピーダンスを上げ、徐々に管径を大きくしていき、自由空間につなげる。
図４ 異なる体積インピーダンス管を縦続接続した場合
ホーンの効果を調べるには、図４のような体積インピーダンスの異なる管を従属接続した場合に、振動源から見た体積インピーダンスを調べることで解析する方法で行く。体積インピーダンスについては、下の「ホーンスピーカー理解のための音響学」を見ていただきたい。
図４において、Ｚ３’はＺ３＋Ｚ４のインピーダンスであり、Ｚ２’はＺ２＋Ｚ３’のインピーダンスであり、Ｚ１’はＺ１＋Ｚ２’のインピーダンスである。こうして振動源ＰでのインピーダンスＺ１’が求まる。これを振動源ＰのＯＵＴ体積インピーダンスに近くするようにすることで、発生する音を最大にできるのである。当然、発生する音が大きくなれば、音源の消費する電力も上がる。
★これはもっとちゃんと考察してみた。
「オーディオ研究２ アンプからスピーカー、音波まで」
オーディオ研究２ アンプからスピーカー、音波まで - SonofSamlawのブログ
このことを考えるために、以下のブログを書いてみた。 どうしてそうなるのかが示されている。
ホーンスピーカー（horn speaker)の音響学のブログ集 - SonofSamlawのブログ
